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Durch Bodendegradation werden jedes Jahr weltweit große Schäden verursacht. Die beiden Hauptverursacher für die globale Bodendegradation sind die Wind- und die Wassererosion. Für die Planung von effizienten Schutzmaßnahmen oder regionalen Managementplänen ist es deshalb wichtig zu verstehen, dass die beiden Prozesse nicht nur als abgekoppelte Phänomene auftreten. Auch wenn seit einiger Zeit das Bewusstsein hierfür zugenommen hat und eine steigende Anzahl von Bodenerosionsstudien auf diesen Sachverhalt eingehen, so bestehen vor allem bei der Abschätzung der relativen Bedeutung und dem Verständnis der vorhandenen Interaktionen zwischen der Wind- und Wassererosion noch substantielle Wissenslücken. Da indirekte Messverfahren, wie beispielsweise die Luftbildauswertung oder die Fernerkundung, für mikro-skalige Prozessstudien ungeeignet sind, beschränken sich die Studien zur Erfassung der Interaktion beider Prozesse zumeist auf die direkten und/oder experimentellen Messungen. Ein Vergleich der Abtragsraten und eine Untersuchung der Interaktionen zwischen der Wind- und der Wassererosion ist jedoch sehr schwierig, da es bislang kein Messinstrument gibt, dass einfach und schnell, die durch Wind, Wasser oder deren Zusammenwirken verursachten Erosionsraten auf natürlichen Oberflächen bestimmen kann. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieses Dissertationsprojekts erstmals, ein mobiler Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage konzipiert und umgesetzt. Seine simulierten Wind- und Niederschlagseigenschaften wurden in Labormessungen mit einem Laserdistrometer, Niederschlagssammlern, Anemometern und Nebelversuchen bestimmt. Die beim Einsatz der Anlage in unterschiedlichen Messkampagnen gewonnenen Erkenntnisse zu seinem Aufbau flossen stetig in die Weiterentwicklung des Kanals ein. Die Qualität der simulierten Bedingungen im Kanal können nach den Modifikationen und unter Einbeziehung der Anforderungen an einen geländefähigen Kanal mit guter Mobilität, als sehr gut bezeichnet werden. Insbesondere die Reproduzierbarkeit der simulierten Bedingungen treten hier positiv hervor. Die angestrebten Ziele dieser Arbeit konnten weitestgehend erfüllt werden. Mit dem mobilen Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage steht in Zukunft eine Anlage zur Verfügung, mit der die Abtragsraten der Wind- und Wassererosion im Gelände, getrennt und in ihrer gemeinsamen Wirkung, gemessen werden können. Durch den Einsatz der Anlage ist es möglich, einige der noch offenen wissenschaftlichen Fragen zur relativen Bedeutung und Interaktion der beiden Prozesse zukünftig zu untersuchen, um weitere Erkenntnisse über Ihren Einfluss auf die Bodendegradation, in Abhängigkeit von Landnutzungsänderungen und dem Klimawandel, zu erhalten.
Aus dem Wunsch, die zentralen Prozesse im System Boden"Pflanze"Atmosphäre einschließlich der Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungspraktiken zu verstehen und nachzubilden, resultiert die Entwicklung verschiedener Pflanzenwachstumsmodelle. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist zum einen, die im Realsystem auftretenden räumlichen Ertragsmuster zu identifizieren und zu charakterisieren. Mithilfe der Semivariogramm-Analyse ist eine räumliche Autokorrelation der Ertragsdaten von maximal 48 Meter abzuleiten. Die räumliche Analyse (GIS) zeigt, dass die Sommergerste ein leicht abweichendes Verhalten im Vergleich zu den Winterkulturen (Winterweizen, Winterraps) aufweist. Schließlich werden mithilfe der selbstorganisierenden Merkmalskarten die primär und sekundär für das Ertragsverhalten verantwortlichen Ursachen identifiziert. Eine abschließende hierarchische Clusteranalyse gliedert die in die Untersuchung eingehenden Standorte in vier spezifische Cluster mit charakteristischen Eigenschaften. Ein zweites Ziel ist die Klärung der Frage, ob die Pflanzenwachstumsmodelle STICS und DAISY bei entsprechender Parametrisierung in der Lage sind, das für ein detektiertes Muster charakteristische Verhalten von Pflanzenwachstum und Ertrag realitätsnah abzubilden. Den Modellanwendungen gehen eine Sensitivitätsanalyse und verschiedene Parametrisierungsansätze zur Erfassung des jeweiligen Modellverhaltens voraus. In beiden Modellen übt der Bodenwasserhaushalt einen starken Einfluss auf die Ertragsbildung aus. Des weiteren kommt in beiden Modellen den Stressfaktoren eine zentrale Bedeutung zu. Die Parametrisierung der Modelle auf der Grundlage der im Feld erhobenen Daten führt bei beiden Modellen nicht zu einem dem Realsystem entsprechenden Bild. Eine über die Sensitivitätsanalyse hinausreichende, vertiefte Modellkenntnis ist erforderlich, um die in die Modelle eingehenden Parameter bzw. deren spezifischen Einfluss auf das Modellverhalten beurteilen und interpretieren zu können. Dies betrifft insbesondere die Modellgrößen der Bodenmodule. Dieser Aspekt erschwert eine einfache räumliche Übertragung der Modelle STICS und DAISY.
Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die raumdifferenzierte und skalenübergreifende Untersuchung der Hochwasserentstehungsprozesse im Frankelbach-Einzugsgebiet, das ein Beispiel eines land- und forstwirtschaftlich genutzten Kleineinzugsgebiets in Mittelgebirgen der gemäßigten Breiten ist. Eine Kernaufgabe war die Quantifizierung der Beiträge einzelner Abflusskomponenten während des Scheiteldurchflusses eines Hochwassers. Zudem sollten Zusammenhänge zwischen der Bodenfeuchtedynamik und der Abflussreaktion herausgearbeitet werden. Zur Bodenfeuchtemessung wurde ein neu entwickeltes Spatial-TDR-Messsystem eingesetzt. Im Rahmen dieses pilothaften Einsatzes war zudem die Tauglichkeit des Messsystems zu überprüfen und zu bewerten. Das im Rotliegenden gelegene 5 km2 große Frankelbachgebiet mit Jahresniederschlägen von 750 mm a-1, steil eingeschnittenen, bewaldeten Kerbtälern und ackerwirtschaftlich genutzten Hochflächen liegt zwischen 200 und 450 m ü. NN. Auf schuttführenden Sand- und Schlufflehmen, deren Genese auf periglaziale Solifluktionsprozesse zurückgeht, sind hangabwärts mächtiger werdende Braunerden zu finden. Bemerkenswert sind die zahlreichen Quellen auf gleicher Höhenlage, die teilweise als Pipequellen ausgebildet sind. Beregnungs- und Infiltrationsversuche dienten der Beurteilung der Oberflächenabflussreaktion unterschiedlich bewirtschafteter Flächen. Durch stündliche Spatial-TDR-Messungen an 13 Standorten (60 cm lange vertikal installierte Dreistabsonden) konnten Hangwasserflüsse identifiziert werden. Zwischen 2005 und 2009 wurden die Abflüsse vier geschachtelter Einzugsgebiete sowie einer Quelle in 10min-Intervallen erfasst und 87 Hochwasserereignisse analysiert. Mittels Messungen der elektrischen Leitfähigkeit und eines Zweikomponenten-Mischungsmodells wurde der Ereigniswasseranteil für die höchsten Hochwasser abgeschätzt. Ergänzend zu den Geländeexperimenten wurde ein einfaches Modell konzipiert, das eine quantitative Abschätzung der ober- und unterirdischen Wasserflüsse in einen Gewässereinschnitt erlaubt. Zum Vergleich mit 31 anderen Untersuchungsgebieten wurde eine Codierung entwickelt, die eine Einordnung sowohl hinsichtlich der Geofaktoren der Gebiete als auch bezüglich der untersuchten Hochwasserereignisse ermöglicht. Das im hanghydrologischen Forschungsbereich als eher trocken einzuordnende Frankelbachgebiet, zeigte ein jahreszeitlich sehr unterschiedliches Abflussverhalten. Während in trockenen Sommern hohe Niederschläge im Gebiet gespeichert werden, liegen die Abflusskoeffizienten für einige schneeschmelzfreie Frühjahrsereignisse über 50 %. Das höchste beobachtete Hochwasser weist einen Abflusskoeffizient von 55 % bei einer relativ niedrigen Abflussspende von 140 l s-1 km-2 auf. Die Großberegnungsversuche, die Quellabflussmessungen, die Ereignisanalysen und die Modellierungsergebnisse weisen darauf hin, dass Dauerregen- und Schneeschmelz-Hochwasser zum Großteil aus Zwischenabfluss bestehen. Hier konnten zwei Abflusskomponenten differenziert werden: (i) eine oberflächen- und gerinnenahe Komponenten, die aufgrund des hohen Ereigniswasseranteils von etwa 60 % durch präferentielles Fließen erklärt werden kann, und (ii) eine ein bis zwei Tage verzögerte tiefere Komponente, die durch unterirdische Abflusskonzentration auf stauenden Schichten generiert wird. Letztere war in den Quellabfluss- und Spatial-TDR-Messungen erkennbar, hatte jedoch an den am Pegel beobachteten Scheiteldurchflüssen nur einen sehr kleinen Anteil. Während sehr intensiver Niederschläge könnte zusätzlich der Horton'sche Oberflächenabfluss von offen liegenden, hydraulisch angeschlossenen Äckern zum Scheiteldurchfluss beitragen. Für sämtliche Spatial-TDR-Messstandorte ist von hohen Infiltrations- und Sickerraten auszugehen. Eine Aufsättigung der Standorte war nicht erkennbar, für die nassen Wintermonate liegen jedoch nur sehr wenige Spatial-TDR-Messwerte vor. Eine in einer Tiefenlinie installierte Sonde (A08) zeigte das Umschalten des Gesamtgebiets in relativ nasse Zustände an. Hier nahm die Bodenfeuchte während zwei größerer Dauerregenereignisse infolge der unterirdischen Abflusskonzentration stark zu. In der vorliegenden Arbeit wurden die einbau- und substratbedingten Unsicherheiten sowie die Schwächen des Algorithmus zur Rekonstruktion der absoluten Bodenfeuchtewerte konkretisiert. Demzufolge wurde lediglich das Spatial-TDR-Rohsignal als Indikator für die aktuelle Bodenfeuchte verwendet. Durch eine Transformation des Spatial-TDR-Signals von der Zeit auf den Sondenort können dennoch Aussagen zur relativen Änderung der Bodenfeuchte in einer bestimmten Tiefe gemacht werden können. Diese Informationen sind hinreichend genau für die Untersuchung hanghydrologischer Prozesse und für die Ableitung von Gebietsfeuchtezuständen.
The main research question of this thesis was to set up a framework to allow for the identification of land use changes in drylands and reveal their underlying drivers. The concept of describing land cover change processes in a framework of global change syndrome was introduced by Schellnhuber et al. (1997). In a first step the syndrome approach was implemented for semi-natural areas of the Iberian Peninsula based on time series analysis of the MEDOKADS archive. In the subsequent study the approach was expanded and adapted to other land cover strata. Furthermore, results of an analysis of the relationship of annual NDVI and rainfall data were incorporated to designate areas that show a significant relationship indicating that at least a part of the variability found in NDVI time series was caused by precipitation. Additionally, a first step was taken towards the integration of socio-economic data into the analysis; population density changes between 1961 and 2008 were utilized to support the identification of processes related to land abandonment accompanied by cessation of agricultural practices on the one hand and urbanization on the other. The main findings of the studies comprise three major land cover change processes caused by human interaction: (i) shrub and woody vegetation encroachment in the wake of land abandonment of marginal areas, (ii) intensification of non-irrigated and irrigated, intensively used fertile regions and (iii) urbanization trends along the coastline caused by migration and the increase of mass tourism. Land abandonment of cultivated fields and the give-up of grazing areas in marginal mountainous areas often lead to the encroachment of shrubs and woody vegetation in the course of succession or reforestation. Whereas this cover change has positive effects concerning soil stabilization and carbon sequestration the increase of biomass involves also negative consequences for ecosystem goods and services; these include decreased water yield as a result of increased evapotranspiration, increasing fire risk, decreasing biodiversity due to landscape homogenization and loss of aesthetic value. Arable land in intensively used fertile zones of Spain was further intensified including the expansion of irrigated arable land. The intensification of agriculture has also generated land abandonment in these areas because less people are needed in the agricultural labour sector due to mechanization. Urbanization effects due to migration and the growth of the tourism sector were mapped along the eastern Mediterranean coast. Urban sprawl was only partly detectable by means of the MEDOKADS archive as the changes of urbanization are often too subtle to be detected by data with a spatial resolution of 1 km-². This is in line with a comparison of a Landsat TM time series and the NOAA AVHRR archive for a study area in the Greece that showed that small scale changes cannot be detected based on this approach, even though they might be of high relevance for local management of resources. This underlines the fact that land degradation processes are multi-scale problems and that data of several spatial and temporal scales are mandatory to build a comprehensive dryland observation system. Further land cover processes related to a decrease of greenness did not play an important role in the observation period. Thus, only few patches were identified, suggesting that no large-scale land degradation processes are taking place in the sense of decline of primary productivity after disturbances. Nevertheless, the land cover processes detected impact ecosystem functioning and using the example of shrub encroachment, bear risks for the provision of goods and services which can be valued as land degradation in the sense of a decline of important ecosystem goods and services. This risk is not only confined to the affected ecosystem itself but can also impact adjacent ecosystems due to inter-linkages. In drylands water availability is of major importance and the management of water resources is an important political issue. In view of climate change this topic will become even more important because aridity in Spain did increase within the last decades and is likely to further do so. In addition, the land cover changes detected by the syndrome approach could even augment water scarcity problems. Whereas the water yield of marginal areas, which often serve as headwaters of rivers, decreases with increasing biomass, water demand of agriculture and tourism is not expected to decline. In this context it will be of major importance to evaluate the trade-offs between different land uses and to take decisions that maintain the future functioning of the ecosystems for human well-being.